專利名稱：一種微型平板靜電驅動器及其制作方法
技術領域：
本發明屬于微機電系統(MEMS)領域，尤其涉及一種微型平板靜電驅動器。
背景技術：
微型平板靜電驅動器是微機電系統領域中重要驅動器之一。響應快、功耗低的優點使其在MEMS領域，特別是自適應光學領域，如微變形鏡中得到廣泛的應用和發展。然而，拉入現象的存在使微型平板靜電驅動器的有效驅動行程只能達到平板初始間距的1/3左右，微機電器件的寶貴空間不能得到充分利用，從而限制了微型平板靜電驅動器的應用。
為了增大微型平板靜電驅動器的驅動行程，美國人愛德華等提出了采用串連電容的方法(Electrostatic Micromechanical Actuator withExtended Range of Travel)，使其驅動行程增大到初始間距的60％左右，其性能有了一定的提高，但是該方法需要在極板間施加五倍以上的驅動電壓，這在MEMS領域是不經濟的。
發明內容為了克服現有技術中所需驅動電壓高的缺陷，本發明提出一種采用非線性微梁支撐的微型平板靜電驅動器，使該驅動器在驅動電壓基本不變的情況下，驅動行程卻有效提高。
本發明包括上極板3、下極板17及支撐梁。上極板3由位于極板四角的四個梁支撐，位于下極板17的上方，基底13上是絕緣層，下極板17位于絕緣層之上。本發明針對支撐梁提出了一種具有非線性彈性系數的梁結構。該非線性梁包括錨梁5、內彈性梁7、橫梁9、觸發器11和錨點12。其中，錨梁5的一端固定于錨點12上，錨點12固定在絕緣層上。錨梁5和內彈性梁7平行，并通過橫梁9連接于同一平面內，觸發器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離。
不工作時，錨點12通過錨梁5、內彈性梁7和橫梁9支撐著上極板3；工作時，在靜電力的作用下，靜電驅動器的上極板3、錨梁5、內彈性梁7、橫梁9同時向下移動，錨梁5和內彈性梁7都發生彎曲變形。當靜電力改變到一定值，上極板3、錨梁5、內彈性梁7、橫梁9的向下位移加大，觸發器11與氮化硅層1接觸，這時錨梁5不再發生彎曲變形，而內彈性梁7繼續發生彎曲變形，非線性微梁的彈性系數隨即增大，上極板3和內彈性梁7繼續平緩向下移動，這樣該非線性微梁結構明顯增大了微型平板靜電驅動器的驅動行程。
本發明提出了微型平板靜電驅動器的MUMPs工藝流程，該加工工藝過程見圖4，其工藝步驟為1)在基底(13)上依次沉積絕緣層和多晶硅層，并在多晶硅層上刻蝕出微型平板靜電驅動器的下極板(17)。
2)淀積犧牲層(20)，并刻蝕出錨點(12)、觸發器(11)和防粘附(21)的位置。
3)淀積多晶硅層，刻蝕并釋放得到上電極(3)及支撐梁。
本發明能夠在微型平板靜電驅動器驅動電壓基本不變的情況下，使其有效驅動行程增大到極板初始間距的55％左右，有效地提高了MEMS器件寶貴空間的利用率，并且本發明結構簡單，設計方法新穎，效果顯著，能夠有效的促進微型平板靜電驅動器在MEMS和自適應光學領域的應用和發展。
圖1是本發明的示意2是本發明所述非線性梁結構的放大示意3是圖2中所示的A-A向剖視4是本發明的MUMPS工藝過程(五)具體實施方法如圖1所示，本發明包括上極板3、下極板17及支撐梁。上極板3由位于極板四角的四個梁支撐，位于下極板17的上方，基底13上是絕緣層，下極板17位于絕緣層之上。為了達到增大驅動行程的目的，本發明針對支撐梁提出了一種新型的非線性梁結構。如圖2，該非線性梁包括錨梁5、內彈性梁7、橫梁9、觸發器11和觸點12。其中，錨梁5的一端通過錨點12固定在絕緣層上。錨梁5的另一端通過橫梁9和內彈性梁7平行相連，觸發器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離。錨梁5的長度L2和內彈性梁7的長度L1的關系滿足L2=L131n-1,]]>觸發器11的厚度滿足d=2n+13ng0,]]>其中n＝1，2，3……，g0為平行板靜電驅動器上下極板間的初始間距。通過分析得到，當n＝2時，即錨梁5和內彈性梁7的長度滿足L2＝L1，觸發器11的厚度滿足d=56g0]]>時，微型平板靜電驅動器的驅動行程為原始平板距離的55％左右，此時的增大驅動行程效果最優，而極板間的驅動電壓卻變化很少。
權利要求
1.一種微型平板靜電驅動器，包括上極板3、下極板17及支撐梁，上極板3由位于極板四角的四個梁支撐，位于下極板17的上方，基底13上是絕緣層，下極板17位于絕緣層之上，其特征在于所述的支撐梁具有非線性彈性系數，包括錨梁5、內彈性梁7、橫梁9、觸發器11和錨點12，其中，錨梁5的一端固定于錨點12上，錨點12固定在絕緣層上。錨梁5和內彈性梁7平行，并通過橫梁9連接于同一平面內，觸發器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離。
2.根據權利要求1的一種微型平板靜電驅動器，其特征在于所述錨梁5的長度L2和內彈性梁7的長度L1的關系滿足L2=L11n-13,]]>觸發器11的厚度滿足d=2n+13ng0,]]>其中n＝1，2，3……，g0為平行板靜電驅動器上下極板間的初始間距。
3.一種微型平板靜電驅動器的制作方法，其特征在于工藝步驟為1)在基底(13)上依次沉積絕緣層和多晶硅層，并在多晶硅層上刻蝕出微型平板靜電驅動器的下極板(17)。2)淀積犧牲層(20)，并刻蝕出錨點(12)、觸發器(11)和防粘附(21)的位置。3)淀積多晶硅層，刻蝕并釋放得到上電極(3)及支撐梁。
全文摘要
一種微型平板靜電驅動器及其制作方法，為了克服現有技術中所需驅動電壓高的缺陷，本發明提出了一種具有非線性彈性系數的支撐梁結構，將錨梁5的一端固定于錨點12上，錨點12固定在絕緣層上。錨梁5和內彈性梁7通過橫梁9平行連接，觸發器11固定于橫梁9的下方，并與基底13有一定距離，該非線性微梁結構明顯增大了微型平板靜電驅動器的驅動行程。本發明的工藝為1.在基底(13)上依次沉積絕緣層和多晶硅層，并在多晶硅層上刻蝕出微型平板靜電驅動器的下極板(17)。2.淀積犧牲層(20)，并刻蝕出錨點(12)、觸發器(11)和防粘附(21)的位置。3.淀積多晶硅層，刻蝕并釋放得到上電極(3)及支撐梁。
文檔編號B81B3/00GK1693180SQ20051004271
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月25日 優先權日2005年5月25日
發明者苑偉政, 喬大勇, 虞益挺, 饒伏波, 馬志波, 李曉瑩 申請人:西北工業大學